涡轮增压

    涡轮增压发动机是依靠涡轮增压器来加大发动机进气量的一种发动机,涡轮增压器(Turbo)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内),涡轮又带动同轴的叶轮(位于进气道内),叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气,再送入气缸。当发动机转速加快,废气排出速度与涡轮转速也同步加快,空气压缩程度就得以加大,发动机的进气量就相应地得到增加,就可以增加发动机的输出功率了。

受消费税与油价影响 涡轮增压车遇生机 汽车之家


    涡轮增压发动机的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上,大幅度提高发动机功率扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后,其输出的最大功率与未装增压器相比,可增加大约40%甚至更多。

    如果大家不明白具体涡轮原理的话,欢迎观看下面的原理视频:

双涡轮增压

    双涡轮增压一般称为Twin turbo或Biturbo,双涡轮增压涡轮增压的方式之一。针对废气涡轮增压的涡轮迟滞现象,串联一大一小两只涡轮或并联两只同样的涡轮,在发动机低转速的时候,较少的排气即可驱动涡轮高速旋转以产生足够的进气压力,减小涡轮迟滞效应。

    在双涡轮增压的汽车上会看到2组涡轮通过串联或者并联的方式连接。并联指每组涡轮负责引擎半数汽缸的工作,每组涡轮都是同规格的,它的优点就是增压反应快并减低管道的复杂程度。

    串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成,低转时推动反应较快的小涡轮,使低转扭力丰厚,高转时大涡轮介入,提供充足的进气量,功率输出得以提高。

 

单涡轮双涡管

    单涡轮双涡管可以说是宝马的独有技术,单涡轮双涡管就是将一个涡轮增压器的气流在经过涡管时分为两股气流,每股气流负责3个缸.同时于双涡轮相比,单涡轮的设计也减低了排气脉冲相互干扰的情况。单涡轮双涡管发动机逐渐在宝马各个车系开始普及。

    与N54B30的3.0双涡轮发动机相比,它只采用了一颗经过TwinPower优化的单涡轮增压器,TwinPower简单的说双进气道,单涡轮双涡管就是由双涡轮的每三个汽缸驱动一个涡轮进化成了每三个汽缸各自通过一个涡轮进气管路共同驱动一个涡轮,从而减轻发动机自重和降低油耗。

可变截面涡轮

为了更好的了解可变截面涡轮的优势,先让我们分析一下普通涡轮增压发动机的缺点。

    普通涡轮增压发动机在全负荷状态下时排气能量非常可观,但当发动机转速较低时,排气能量却小的可怜,此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速,这样造成的结果就是,在低转速时,涡轮增压器并不能发挥作用,这时候涡轮增压发动机的动力表现甚至会小于一台同排量的自然吸气发动机,这就是我们经常说的“涡轮迟滞”现象。

    对于传统的涡轮增压发动机来说,解决涡轮迟滞现象的一个方法就是使用小尺寸的轻质涡轮,首先,小涡轮会拥有较小的转动惯量,因此在发动机低转速时,在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速,从而有效改善涡轮迟滞的现象。不过,使用小涡轮也有它的缺点:当发动机高转速时,小涡轮由于排气截面较小,会使排气阻力增加(产生排气回压),因此发动机最大功率和最大扭矩会受到一定的影响。而对于产生回压较小的大涡轮来说,虽然高转速下可以拥有出色增压效果,发动机也会拥有更强的动力表现,但是低速下涡轮更难以被驱动,因此涡轮迟滞也会更明显。

可变截面涡轮增压的原理

    为解决上述矛盾足,让涡轮增压发动机在高低转速下都能保证良好的增压效果,VGT(Variable Geometry Turbocharger)或者叫VNT可变截面涡轮增压技术便应运而生。在柴油发动机领域,VGT可变截面涡轮增压技术早已得到了很广泛的应用。由于汽油发动机的排气温度要远远高于柴油发动机,达到1000°C左右(柴油发动机为400°C左右),而VGT所使用的硬件材质很难承受如此高温的环境,因此这项技术也迟迟未能在汽油机上应用。近年来,博格华纳与保时捷联手克服了这个难题,使用了耐高温的航空材料技术,从而成功开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动机,保时捷则将这项技术称为VTG(Variable Turbine Geometry)可变涡轮叶片技术。

『图中涡轮外围的红色叶片就是导流叶片』

 

『一般的涡轮并没有导流叶片的结构』

    VGT技术的核心部分就是可调涡流截面的导流叶片,从图上我们可以看到,涡轮的外侧增加了一环可由电子系统控制角度的导流叶片,导流叶片的相对位置是固定的,但是叶片角度可以调整,在系统工作时,废气会顺着导流叶片送至涡轮叶片上,通过调整叶片角度,控制流过涡轮叶片的气体的流量和流速,从而控制涡轮的转速。当发动机低转速排气压力较低的时候,导流叶片打开的角度较小。根据流体力学原理,此时导入涡轮处的空气流速就会加快,增大涡轮处的压强,从而可以更容易推动涡轮转动,从而有效减轻涡轮迟滞的现象,也改善了发动机低转速时的响应时间和加速能力。而在随着转速的提升和排气压力的增加,叶片也逐渐增大打开的角度,在全负荷状态下,叶片则保持全开的状态,减小了排气背压,从而达到一般大涡轮的增压效果。此外,由于改变叶片角度能够对涡轮的转速进行有效控制,这也就实现对涡轮的过载保护,因此使用了VGT技术的涡轮增压器都不需要设置排气泄压阀

    需要指出的是,VGT可变截面涡轮增压器只能通过改变排气入口的横切面积改变涡轮的特性,但是涡轮的尺寸大小并不会发生变化。如果从涡轮A/R值去理解的话,可变截面涡轮的原理会更加直观。

『也有的厂商将这项技术称为VNT,比如沃尔沃和奥迪,它们在本质上是一样的』

    A/R值是涡轮增压器的一项重要指标,用以表达涡轮的特性,在改装市场的涡轮增压器销售册上也常有标明。A表示Area区域,指的是涡轮排气侧入口处最窄的横切面积(也就是可变截面涡轮技术中的“截面”),R(Radius)则是代表半径意思,指的是入口处最窄的横切面积的中心点到涡轮本体中心点的距离,而两者的比例就是A/R值。相对而言,压气端叶轮受A/R值的影响并不大,不过A/R值却对排气端涡轮有着十分重要的意义。

   

    导流叶片的开度能够影响导向涡轮叶片的气流速度,低转速时开度小(左图),提高空气流速,高转速时开度大(右图),减小排气负压

    当A/R值越小时,表示废气通过涡轮的流速较高,这种特性可以有效减轻涡轮迟滞,涡轮也就能在较低的转速区域取得较高的增压,而发动机高转速时则会产生较大的排气背压,使高转速时功率受到限制。反之,当A/R值越大时,涡轮的响应速度就越慢,低转速时涡轮迟滞明显,不过在高转速时,拥有较小的排气背压,且能够更好的利用排气能量,从而获得更强的动力表现。

    而VGT技术所实现的截面可变就是指改变A值。当叶片角度较小时,排气入口的横切面积便会相应减小,因此A值会随之变化,从而拥有小涡轮响应快的特点。而当叶片角度增大时,A值随之增大,这时A/R值增大,从而在高转速下获得更强的动力输出。总而言之,透过变更叶片的角度,VTG系统可随时改变排气涡轮的A/R值,从而兼顾大/小涡轮的优势特性。

    尽管结构和原理都很简单,但VGT可变截面涡轮技术对于增压效果的提升非常显著,在目前主流的涡轮增压柴油发动机上,这项技术已经得到了非常普遍的应用。不过,由于硬件材质的限制,这项技术在排气温度较高的汽油发动机上才刚刚起步,保时捷和博格华纳的合作可以说开创了先河。不过,随着材料科技的进步,这项技术在未来的汽油发动机上必将会得到更广泛的应用。

泄压阀

     当一辆改装车从身旁飞驰而过,我们时常会听到“嗡嗡……”的一段发动机加速声音后,又传来“呲……”的一声——这给人让人传递了冲劲十足的感觉。这声音是从那里传来的?为什么普通民用车,或者一些高性能跑车上都没有这样的声音(而一些普通的改装车却有)?

    其实这种特有的“呲……”声是涡轮增压发动机的卸压阀在卸压时所发出的声音,可以说,所有的涡轮增压发动机都会产生这种声音,只不过对于日常民用车而言,厂家在设计时会将这种声音作为噪音来处理,尽可能地将它降低。做法是将压力泄到进气歧管内,因此噪音很小——这种泄压方式叫做内泄式。

汽车之家     对于装配涡轮增压发动机的普通民用车而言,不仔细听一般都无法觉察到有卸压时的“呲呲”声。这就好比对于普通民用车,发动机噪音和隆隆的排气声是属于负面参数(而高性能车有时则可以强调这种声音),原厂设计时尽可能的将这种声音消除。而对于喜欢驾驶乐趣的车友,这种声音则成了激发其驾驶激情的催化剂(我们经常看见很多车的排气管被改得像炮筒一般,声音也隆隆的震天响)。

    除了激发驾驶激情以外,“炫”也是改装的诉求之一,很多人希望将自己的车改得像超高性能车,即便车子动力并不是特别强。一般来说,涡轮增压发动机发出 “呲、呲”声的大小是与增压强度相关的——大涡轮增压器更容易发出这样的声音。因此如果这种声音比较大,可以显得这台车的增压器较大,让人有很炫的感觉。

    许多改装发烧友也是出于这个目的,把自己民用车发动机(如宝来1.8T、帕萨特1.8T)的内泄式泄压改成了外泄式,并进一步加大“呲”声,其道理与炮筒式的排气管很类似。那么,为什么涡轮增压发动机会发出这样的声音呢?

    当我们踏下油门踏板加速时,节气门打开,发动机排出高温高压的废气能量推动废气涡轮旋转,当达到涡轮增压器工作时的转速(也就是使涡轮旋转在每分钟10万转以上时),涡轮增压器才将周围的空气进行压缩,使发动机进气量增加、提升发动机的动力性。

HKS外排式泄压阀』

    在当我们收油时,节气门开度迅速减小直至处于关闭的怠速状态,也就是说发动机不需要进气了,或者说进气管中的气流会在节气阀处受阻。但此时此刻涡轮增压器并没有停止工作!由于惯性,涡轮增压器仍然保持在每分钟10万转以上的转速继续旋转着。现在可以想象,此时的空气仍然继续被源源不断地压缩进入进气管中,如果在进气管中这部分高压空气不能被及时排走,就会使进气管中压力迅速升高,有可能造成节气门损害或进气管爆裂。

『泄压阀安装在进气管中』

    这时,就需要在进气管道中加装一个卸压装置,来卸掉管道中来自进气涡轮压缩后的多余高压空气。实际上泄压阀就是安装在进气管上一个阀门,用以控制增压压力。泄压阀的开闭由ECU(电子控制单元)操纵的电磁线圈控制。ECU会根据涡轮出口增压的压力高低来做出判断,一旦压力超过临界值时,就会对电磁线圈进行通电或断电控制,从而开启或关闭泄压阀。

    当卸压阀关闭时以保证进气管内有足够的进气压力为依据,当阀门打开能将多余的气体泄到大气中,减轻进气道内压力,保护发动机进气管道。所以我们听到改装车上的“呲、呲”声就是泄压阀在泄压排气时的声音。

    事实上,改装车上发出的“呲、呲”声对于提升发动机性能提升没有任何意义,只不过能渲染出一种增压值很大的假象。相对来说,增压值越大的发动机,这种泄压阀泄压排出的空气也就越多,理论上产生的噪音也就越大。而改装车的时候,将泄压阀泄压时的声音进行放大,就像采用大炮筒排气管一样——动静很酷,却没有什么实际效果。

更多术语

意见反馈